CN113555492A - 一种电子余热收集装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种电子余热收集装置及其控制方法，该装置包括：散热片、微通道式热端绝缘层、热端导电片、半导体温差电池组、冷端导电片、微通道式冷端绝缘层、储能电池、泵组、半导体测温模块、测温电路。电子系统的热量通过散热片及微通道式热端绝缘层传导至热端导电片，形成半导体温差电池组的高温端；微通道式冷端绝缘层形成半导体温差电池组的低温端，半导体测温模块进行温度检测，泵组根据测温信息，调节进入到微通道式热端绝缘层和冷端绝缘层的冷却介质流量，分别实现对半导体温差电池组的高温端和低温端的温度控制。电子余热收集装置通过温差电池将自身产生的热量用于温度检测、微通道散热与电池储能，高效利用了系统自热。

Description

一种电子余热收集装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及电子器件领域，特别的，涉及一种电子余热收集装置及其控制方法。
背景技术
当今社会与科技正朝着电子化、信息化和智能化的趋势升级，这一趋势加速了电子产品朝轻量化、高性能和多功能的形态发展。电子设备在工作时会产生大量的焦耳热，尤其是CPU、GPU、功率放大器等功耗较高的器件。然而受到电子设备尺寸、制作工艺以及转化效率等众多因素的影响，电子余热一直无法被有效利用。目前对电子设备的热管理技术主要集中在散热领域，而如何有效地将电子设备的散热与余热利用功能进行一体化集成是电子行业的研究热点与难点，对电子行业能源利用效率的提升具有重大意义。
半导体温差发电技术基于塞贝克原理，是指将两种不同类型（N型和P型）半导体材料的一端串联并置于高温环境，另一端开路并置于低温环境。高温端的载流子在热激发的作用下向低温端扩散，由于低温端为开路，载流子在低温端堆积并在材料内部形成电动势。两端温差越大，形成的电动势越大；通过将多个N型和P型半导体串联组成半导体温差电池组，就可得到足够高的电压，形成半导体温差发电机。
发明内容
本发明的目的在于提出一种电子余热收集装置及其控制方法，能够有效的降低半导体设备的散热，并利用余热，提高散热效率。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种电子余热收集装置，包括：
散热片、微通道式热端绝缘层、热端导电片、半导体温差电池组、冷端导电片、微通道式冷端绝缘层、泵组、半导体测温模块、储能电池和测温电路；
其中所述散热片与发热区域紧密贴合，用于传输热量；
所述微通道式热端绝缘层，一侧被加工成开口微槽道，该侧与所述散热片紧密贴合以形成容纳冷却介质的微通道空间，另外一侧与所述热端导电片贴合，所述微通道式热端绝缘层为所述电子余热收集装置的高温端；
多个所述热端导电片，用于与所述微通道式热端绝缘层无开口微槽道的另一侧紧密贴合；
所述微通道式冷端绝缘层，其一侧被加工成开口式结构或者闭口式结构的微槽道，另外一侧与所述冷端导电片贴合，所述微通道式冷端绝缘层为所述电子余热收集装置的低温端；
多个所述冷端导电片，一侧面向所述热端导电片，另外一侧与所述微通道式冷端绝缘层无微槽道的另一侧紧密贴合；
所述半导体温差电池组，位于所述热端导电片与所述冷端导电片之间，并由若干个P型半导体和若干个N型半导体材料组成，其中，所述P型半导体与所述N型半导体通过所述热端导电片和所述冷端导电片串联连接；
所述半导体测温模块，包括测温电路，并通过所述测温电路对所述微通道式热端绝缘层和所述微通道式冷端绝缘层进行温度检测；
所述泵组，至少包括两个泵，其中一个泵用于控制进入到所述微通道式热端绝缘层的冷却介质，另一个泵用于控制进入到所述微通道式冷端绝缘层的冷却介质，用于根据所述半导体测温模块的温度检测结果，控制泵的运转，从而分别调节进入到微通道式热端绝缘层和微通道式冷端绝缘层的冷却介质流量；
所述储能电池，用于通过引线将所述半导体温差电池组的发电量进行存储。
可选的，所述半导体温差电池组具体为：由若干个P型半导体和若干个N型半导体材料彼此间隔排列组成，所述P型半导体的和所述N型半导体的面向热端导电片的一端通过所述热端导电片连接在一起，并与所述装置的高温端紧密贴合，所述P型半导体的和所述N型半导体的面向冷端导电片的另一端通过所述冷端导电片连接在一起，并与所述装置的低温端紧密贴合，所述热端导电片与所述冷端导电片沿电流方向彼此交错放置，并与所述P型半导体和所述N型半导体串联连接，一个所述P型半导体、一个所述N型半导体及其两端的热端导电片和冷端导电片共同组成一个所述半导体温差电池组的单元，多个半导体温差电池组的单元由多个所述冷端导电片和多个所述热端导电片沿着电流方向串联连接，从而组成所述半导体温差电池组。
可选的，所述散热片为相变均热材料或满足预设热导率的金属材料。
可选的，所述热端导电片和所述冷端导电片采用铜薄片制成。
可选的，所述微通道式冷端绝缘层中，所述开口式结构与外部其他基底紧密贴合形成微通道空间，所述闭口式结构指微通道空间在所述微通道式冷端绝缘层内部直接一体化成形。
可选的，所述微通道式热端绝缘层和所述微通道式冷端绝缘层采用陶瓷制成。
可选的，所述泵组采用微型电子水泵，所述冷却介质采用常温下为液体的冷却介质。
可选的，所述装置的温差电池组所发电量用于：直接存储于储能电池，用于测温电路，和用于泵组。
本发明进一步公开了一种根据上述的电子余热收集装置的控制方法，所述控制方法包括：
步骤S1：预先设定所述半导体测温模块的温度指标，所述温度指标包括微通道式热端绝缘层温度指标和微通道式冷端绝缘层温度指标；
步骤S2：利用所述微通道式热端绝缘层温度指标通过换算或直接判断所述发热区域的当前温度是否超过电子余热收集装置所散热的电子系统正常工作的最高温度，若超过，则通过所述泵组调节进入到微通道式热端绝缘层的冷却介质流量，使所述发热区域温度下降到所述最高温度之下；若不超过，则无冷却介质进入，并进入步骤S3；
步骤S3：根据所述微通道式热端绝缘层温度指标直接判断所述微通道式热端绝缘层温度的当前温度是否超过所述半导体温差电池组正常工作的最高温度，若超过，则通过所述泵组调节进入到微通道式热端绝缘层的冷却介质流量，使所述微通道式热端绝缘层温度的温度下降到所述最高温度之下；若不超过，则回到步骤S2；
步骤S4：根据所述微通道式热端绝缘层温度指标和所述微通道式冷端绝缘层温度指标判断所述微通道式热端绝缘层温度和所述微通道式冷端绝缘层温度两者之差是否大于所述半导体温差电池组正常工作的最小温差，若大于，则进入步骤S2；若不大于，则通过所述泵组调节进入到微通道式冷端绝缘层的冷却介质流量，直至所述温度之差大于所述最小温差。
综上，本发明电子余热收集装置通过温差电池将自身产生的热量用于温度检测、微通道散热与电池储能，高效利用了系统自热，为电子系统的余热利用提供了一种有效的技术方案。
附图说明
图1是根据本发明具体实施例的电子余热收集装置的截面示意图；
图2是根据本发明具体实施例的散热片与微通道式热端绝缘层结合的三维结构图；
图3是根据本发明具体实施例的半导体温差电池组的三维结构图；
图4是根据本发明具体实施例的电子余热收集装置的整体三维结构图。
图中的附图标记所分别指代的技术特征为：
1、散热片；2、微通道式热端绝缘层；3、热端导电片；4、半导体温差电池组；5、冷端导电片；6、微通道式冷端绝缘层；7、储能电池；8、泵组；9、半导体测温模组；10、测温电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
半导体温差发电技术基于塞贝克原理，是指将两种不同类型（N型和P型）半导体材料的一端串联并置于高温环境，另一端开路并置于低温环境。高温端的载流子在热激发的作用下向低温端扩散，由于低温端为开路，载流子在低温端堆积并在材料内部形成电动势。两端温差越大，形成的电动势越大；通过将多个N型和P型半导体串联组成半导体温差电池组，就可得到足够高的电压，形成半导体温差发电机。
本发明在于：基于散热片与被制冷元件之间的热量传递，利用半导体温差电池组进行热差发电，将得到的电能用于温度检测、微通道散热和电池储能，高效的利用了系统自热，为电子系统的余热利用提供了有效的方案。
具体的，参见图1，示出了根据本发明的电子余热收集装置，包括：
散热片1、微通道式热端绝缘层2、热端导电片3、半导体温差电池组4、冷端导电片5、微通道式冷端绝缘层6、泵组8、半导体测温模块9和测温电路10；
其中所述散热片1与发热区域（或者热点）紧密贴合，用于传输热量，在一个具体的实施例中，所述热点可以为CPU、显卡等具有较大发热量的电子元器件；
所述微通道式热端绝缘层2，一侧被加工成开口微槽道，该侧与所述散热片紧密贴合以形成容纳冷却介质的微通道空间，另外一侧与所述热端导电片3贴合，具体的，参见图2，示出了散热片与微通道式热端绝缘层结合的三维结构图，在本发明中，所述微通道式热端绝缘层为所述装置的高温端。
多个所述热端导电片3，用于与所述微通道式热端绝缘层2无开口微槽道的另一侧紧密贴合；
所述微通道式冷端绝缘层6，其一侧被加工成开口式结构或者闭口式结构的微槽道，另外一侧与所述冷端导电片5贴合，
在本发明中，所述微通道式冷端绝缘层为所述装置的低温端。
多个所述冷端导电片5，一侧面向所述热端导电片3，另外一侧与所述微通道式冷端绝缘层无微槽道的另一侧紧密贴合；
所述半导体温差电池组4，位于所述热端导电片3与所述冷端导电片5之间，并由若干个P型半导体和若干个N型半导体材料组成，其中，所述P型半导体与所述N型半导体通过所述热端导电片和所述冷端导电片串联连接；
所述半导体测温模块9，包括测温电路10，并通过所述测温电路10对所述微通道式热端绝缘层2和所述微通道式冷端绝缘层6进行温度检测，所述半导体测温模块通过引线与测温电路10连接；
所述泵组8，至少包括两个泵，其中一个泵用于控制进入到所述微通道式热端绝缘层2的冷却介质，另一个泵用于控制进入到所述微通道式冷端绝缘层6的冷却介质，用于根据所述半导体测温模块9的温度检测结果，控制泵的运转，从而分别调节进入到微通道式热端绝缘层2和微通道式冷端绝缘层6的冷却介质流量。
因此，本发明中，电子系统的热量通过散热片1及微通道式热端绝缘层2传导至热端导电片3，形成半导体温差电池组4的高温端；微通道式冷端绝缘层6形成半导体温差电池组4的低温端。半导体测温模块9集成在热端导电片3和冷端导电片5之间，最终通过测温电路10进行温度检测。泵组根据测温信息，调节进入到微通道式热端绝缘层2和微通道式冷端绝缘层6的冷却介质流量，分别实现对半导体温差电池组4的高温端和低温端的温度控制。
进一步的，还包括储能电池7，用于通过引线将所述半导体温差电池组的发电量进行存储。
所述装置的温差电池组所发电量包含三大用途：（1）直接存储于储能电池7，（2）用于测温电路10，（3）用于泵组8。上述电子余热收集装置通过温差电池将自身产生的热量用于温度检测、微通道散热与电池储能，高效利用了系统自热。
优选的，所述散热片为满足预设热导率的金属材料，例如，可以选择一些热导率高的金属材料，比如铜等；
更优选地，所述散热片为相变均热材料，如热管、均热板等。
在本发明中，所述热端导电片和所述冷端导电片采用热导率和电导率优良的材料制成，如铜薄片等。
对于所述微通道式冷端绝缘层，优选的，所述开口式结构可与外部其他基底紧密贴合形成微通道空间，所述闭口式结构指微通道空间在所述微通道式冷端绝缘层内部直接一体化成形。
所述微通道式热端绝缘层和所述微通道式冷端绝缘层采用热导率优良的电绝缘材料制成，如陶瓷等。
更进一步的，参见图3，示出了半导体温差电池组的三维结构图。具体的，所述半导体温差电池组由若干个P型半导体和若干个N型半导体材料彼此间隔排列组成，所述P型半导体的和所述N型半导体的面向热端导电片的一端通过所述热端导电片连接在一起，并与所述装置的高温端紧密贴合，所述P型半导体的和所述N型半导体的面向冷端导电片的另一端通过所述冷端导电片连接在一起，并与所述装置的低温端紧密贴合，所述热端导电片与所述冷端导电片沿电流方向彼此交错放置，并与所述P型半导体和所述N型半导体串联连接，一个所述P型半导体、一个所述N型半导体及其两端的热端导电片和冷端导电片共同组成一个所述半导体温差电池组的单元，多个半导体温差电池组的单元由多个所述冷端导电片和多个所述热端导电片沿着电流方向串联连接，从而组成所述半导体温差电池组。
由于P/N半导体两端形成了稳定的温度差，通过冷热导电片的作用，可在回路内形成持续电流，并最终由储能电池对上述半导体温差电池组产生的电能进行存储，并用于对半导体测温模块和微泵的供电。
进一步的，所述半导体测温模块可以采用包括一个P型半导体、一个N型半导体及其两端的热端导电片和冷端导电片，以类似与所述半导体温差电池组的单元的结构进行测温。
优选的，所述泵组采用微型电子水泵。所述冷却介质采用常温（例如25摄氏度）下为液体的冷却介质。
进一步的，本发明还公开了一种根据上述的电子余热收集装置的控制方法，所述控制方法包括：
步骤S1：预先设定所述半导体测温模块的温度指标，所述温度指标包括微通道式热端绝缘层温度指标和微通道式冷端绝缘层温度指标；
步骤S2：利用所述微通道式热端绝缘层温度指标通过换算或直接判断所述发热区域（电子系统热点）的当前温度是否超过电子余热收集装置所散热的电子系统正常工作的最高温度，若超过，则通过所述泵组调节进入到微通道式热端绝缘层的冷却介质流量，使所述发热区域温度下降到所述最高温度之下；若不超过，则无冷却介质进入，并进入步骤S3；
步骤S3：根据所述微通道式热端绝缘层温度指标直接判断所述微通道式热端绝缘层温度的当前温度是否超过所述半导体温差电池组正常工作的最高温度，若超过，则通过所述泵组调节进入到微通道式热端绝缘层的冷却介质流量，使所述微通道式热端绝缘层温度的温度下降到所述最高温度之下；若不超过，则回到步骤S2；
步骤S4：根据所述微通道式热端绝缘层温度指标和所述微通道式冷端绝缘层温度指标判断所述微通道式热端绝缘层温度和所述微通道式冷端绝缘层温度两者之差是否大于所述半导体温差电池组正常工作的最小温差，若大于，则进入步骤S2；若不大于，则通过所述泵组调节进入到微通道式冷端绝缘层的冷却介质流量，直至所述温度之差大于所述最小温差。
在一个具体的实施例中：
半导体测温模块9获取到微通道式热端绝缘层2和微通道式冷端绝缘层6的温度分别为T1和T2，通过标定与换算（或直接测温）得到发热区域的温度为T3：情形1：假设发热区域工作的临界温度为75℃。当T3>75℃时，微泵打开，冷却介质进入到微通道式热端绝缘层2，将T3冷却到75℃以下；
情形2：假设微通道最高耐受温度为70℃。当T1>70℃时，微泵打开，冷却介质进入到微通道式热端绝缘层2，将T1冷却到70℃以下；
情形3：假设半导体温差电池组能稳定发电的最小温差为30℃。当（T1—T2）<30℃:
则微泵打开，冷却介质进入到微通道式冷端绝缘层6，使（T1—T2）>30℃；
以上三种情形的优先级分别为：情形1>情形2>情形3，即发热区域的散热优于微通道散热优于维持最小温差。
综上，本发明电子余热收集装置通过温差电池将自身产生的热量用于温度检测、微通道散热与电池储能，高效利用了系统自热，为电子系统的余热利用提供了一种有效的技术方案。
显然，本领域技术人员应该明白，上述的本发明的各单元或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个计算装置上,可选地，他们可以用计算机装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (9)

1.一种电子余热收集装置，其特征在于，包括：
散热片、微通道式热端绝缘层、热端导电片、半导体温差电池组、冷端导电片、微通道式冷端绝缘层、泵组、半导体测温模块、储能电池和测温电路；
其中所述散热片与发热区域紧密贴合，用于传输热量；
所述微通道式热端绝缘层，一侧被加工成开口微槽道，该侧与所述散热片紧密贴合以形成容纳冷却介质的微通道空间，另外一侧与所述热端导电片贴合，所述微通道式热端绝缘层为所述电子余热收集装置的高温端；
多个所述热端导电片，用于与所述微通道式热端绝缘层无开口微槽道的另一侧紧密贴合；
所述微通道式冷端绝缘层，其一侧被加工成开口式结构或者闭口式结构的微槽道，另外一侧与所述冷端导电片贴合，所述微通道式冷端绝缘层为所述电子余热收集装置的低温端；
多个所述冷端导电片，一侧面向所述热端导电片，另外一侧与所述微通道式冷端绝缘层无微槽道的另一侧紧密贴合；
所述半导体温差电池组，位于所述热端导电片与所述冷端导电片之间，并由若干个P型半导体和若干个N型半导体材料组成，其中，所述P型半导体与所述N型半导体通过所述热端导电片和所述冷端导电片串联连接；
所述半导体测温模块，包括测温电路，并通过所述测温电路对所述微通道式热端绝缘层和所述微通道式冷端绝缘层进行温度检测；
所述泵组，至少包括两个泵，其中一个泵用于控制进入到所述微通道式热端绝缘层的冷却介质，另一个泵用于控制进入到所述微通道式冷端绝缘层的冷却介质，用于根据所述半导体测温模块的温度检测结果，控制泵的运转，从而分别调节进入到微通道式热端绝缘层和微通道式冷端绝缘层的冷却介质流量；
所述储能电池，用于通过引线将所述半导体温差电池组的发电量进行存储。
2.根据权利要求1所述的电子余热收集装置，其特征在于，
所述半导体温差电池组具体为：由若干个P型半导体和若干个N型半导体材料彼此间隔排列组成，所述P型半导体的和所述N型半导体的面向热端导电片的一端通过所述热端导电片连接在一起，并与所述装置的高温端紧密贴合，所述P型半导体的和所述N型半导体的面向冷端导电片的另一端通过所述冷端导电片连接在一起，并与所述装置的低温端紧密贴合，所述热端导电片与所述冷端导电片沿电流方向彼此交错放置，并与所述P型半导体和所述N型半导体串联连接，一个所述P型半导体、一个所述N型半导体及其两端的热端导电片和冷端导电片共同组成一个所述半导体温差电池组的单元，多个半导体温差电池组的单元由多个所述冷端导电片和多个所述热端导电片沿着电流方向串联连接，从而组成所述半导体温差电池组。
3.根据权利要求1或2所述的电子余热收集装置，其特征在于，
所述散热片为相变均热材料或满足预设热导率的金属材料。
4.根据权利要求2所述的电子余热收集装置，其特征在于，
所述热端导电片和所述冷端导电片采用铜薄片制成。
5.根据权利要求2所述的电子余热收集装置，其特征在于，
所述微通道式冷端绝缘层中，所述开口式结构与外部其他基底紧密贴合形成微通道空间，所述闭口式结构指微通道空间在所述微通道式冷端绝缘层内部直接一体化成形。
6.根据权利要求2所述的电子余热收集装置，其特征在于，
所述微通道式热端绝缘层和所述微通道式冷端绝缘层采用陶瓷制成。
7.根据权利要求2所述的电子余热收集装置，其特征在于，
所述泵组采用微型电子水泵，所述冷却介质采用常温下为液体的冷却介质。
8.根据权利要求2所述的电子余热收集装置，其特征在于，
所述装置的温差电池组所发电量用于：直接存储于储能电池，用于测温电路，和用于泵组。
9.一种电子余热收集装置的控制方法，其特征在于，所述电子余热收集装置采用权利要求1至8任一项所述的电子余热收集装置，所述控制方法包括：
步骤S1：预先设定所述半导体测温模块的温度指标，所述温度指标包括微通道式热端绝缘层温度指标和微通道式冷端绝缘层温度指标；
步骤S2：利用所述微通道式热端绝缘层温度指标通过换算或直接判断所述发热区域的当前温度是否超过电子余热收集装置所散热的电子系统正常工作的最高温度，若超过，则通过所述泵组调节进入到微通道式热端绝缘层的冷却介质流量，使所述发热区域温度下降到所述最高温度之下；若不超过，则无冷却介质进入，并进入步骤S3；
步骤S3：根据所述微通道式热端绝缘层温度指标直接判断所述微通道式热端绝缘层温度的当前温度是否超过所述半导体温差电池组正常工作的最高温度，若超过，则通过所述泵组调节进入到微通道式热端绝缘层的冷却介质流量，使所述微通道式热端绝缘层温度的温度下降到所述最高温度之下；若不超过，则回到步骤S2；
步骤S4：根据所述微通道式热端绝缘层温度指标和所述微通道式冷端绝缘层温度指标判断所述微通道式热端绝缘层温度和所述微通道式冷端绝缘层温度两者之差是否大于所述半导体温差电池组正常工作的最小温差，若大于，则进入步骤S2；若不大于，则通过所述泵组调节进入到微通道式冷端绝缘层的冷却介质流量，直至所述温度之差大于所述最小温差。
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